Pages Navigation Menu

ISSN 2227-6017 (ONLINE), ISSN 2303-9868 (PRINT), DOI: 10.18454/IRJ.2227-6017
ПИ № ФС 77 - 51217

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.57.094

Скачать PDF ( ) Страницы: 80-85 Выпуск: № 03 (57) Часть 4 () Искать в Google Scholar
Цитировать

Цитировать

Электронная ссылка | Печатная ссылка

Скопируйте отформатированную библиографическую ссылку через буфер обмена или перейдите по одной из ссылок для импорта в Менеджер библиографий.
Романова Н. А. ВЫДЕЛЕНИЕ НАФТАЛИНА ИЗ ОСТАТКОВ КАМЕННОУГОЛЬНОЙ СМОЛЫ МЕТОДОМ СВЕРХЧЕТКОЙ РЕКТИФИКАЦИИ / Н. А. Романова, А. С. Хрёкин, В. С. Леонтьев // Международный научно-исследовательский журнал. — 2017. — № 03 (57) Часть 4. — С. 80—85. — URL: http://research-journal.org/technical/vydelenie-naftalina-iz-ostatkov-kamennougolnoj-smoly-metodom-sverxchetkoj-rektifikacii/ (дата обращения: 29.04.2017. ). doi: 10.23670/IRJ.2017.57.094
Романова Н. А. ВЫДЕЛЕНИЕ НАФТАЛИНА ИЗ ОСТАТКОВ КАМЕННОУГОЛЬНОЙ СМОЛЫ МЕТОДОМ СВЕРХЧЕТКОЙ РЕКТИФИКАЦИИ / Н. А. Романова, А. С. Хрёкин, В. С. Леонтьев // Международный научно-исследовательский журнал. — 2017. — № 03 (57) Часть 4. — С. 80—85. doi: 10.23670/IRJ.2017.57.094

Импортировать


ВЫДЕЛЕНИЕ НАФТАЛИНА ИЗ ОСТАТКОВ КАМЕННОУГОЛЬНОЙ СМОЛЫ МЕТОДОМ СВЕРХЧЕТКОЙ РЕКТИФИКАЦИИ

Романова Н.А.1, Хрёкин А.С.2, Леонтьев В.С.3

1ORCID 0000-0003-3147-4420, кандидат технических наук, доцент, Санкт-Петербургский Горный университет, 2студент, Санкт-Петербургский Горный университет, 3кандидат технических наук, доцент, ООО «ИнТАРекС», Санкт-Петербургский Горный университет

ВЫДЕЛЕНИЕ НАФТАЛИНА ИЗ ОСТАТКОВ КАМЕННОУГОЛЬНОЙ СМОЛЫ МЕТОДОМ СВЕРХЧЕТКОЙ РЕКТИФИКАЦИИ

Аннотация

Показана возможность выделения нафталиновой фракции, содержащей не менее 97% основного вещества, из каменноугольной смолы.  Для получения нафталина с содержанием основного вещества не менее 97 % рассмотрены несколько конкурентных схем: с использованием одной и двух колонн. Оптимальной с точки зрения энергетических затрат является одноколонная схема с боковым отбором. Качество целевой фракции может достигать 99 %, при этом удельные затраты греющего пара составят 1,19 Гкал/т. Получение целевого продукта, с содержанием 97 % — го нафталина требует удельных затрат греющего пара в размере 0,33 Гкал/т, что почти в 4 раза меньше.

Ключевые слова: нафталин, тионафтен, близкокипящие смеси, азеотроп, ректификация, оптимизация.

Romanova N.A.1, Khrekin A.S.2, Leontev V.S.3

1ORCID 0000-0003-3147-4420, PhD in Engineering, Associate professor, St. Petersburg Mining University, 2Student, St. Petersburg Mining University, 3PhD in Engineering, Associate professor, OOO «» St. Petersburg Mining University

NAPHTHALENE PURIFICATION FROM THE RESIDUE COAL TAR USING PRECISION FRACTIONAL RECTIFICATION

Abstract

A possibility of separation of the naphthalene fraction containing at least 97% of the basic substance, from coal tar. Using one and two columns: several competitive schemes considered for obtaining a naphthalene content of the basic substance is not less than 97%. The optimum in terms of energy costs is a single-line diagram of a side selection. The quality of the desired fraction can reach 99%, while the unit cost of heating steam was 1.19 Gcal / ton. Getting the desired product with the content of 97% — of naphthalene requires specific costs of heating steam at a rate of 0.33 Gcal / ton, which is almost 4 times less.

Keywords: naphthalene, thionaphthene, close boiling mixture, azeotrope rectification, optimization.

В настоящее время процесс получения чистого нафталина имеет важное значение для нефтехимической промышленности. Ряд предприятий заинтересован в производстве технического нафталина, содержащего не менее 97% основного вещества, так как он является исходным продуктом в получении таких реагентов как фталевый ангидрид, декалин, тетралин, нафтол и других. Нафталин выступает в качестве промежуточного продукта в производстве различных азотокрасителей, поверхностно-активных веществ (ПАВ), а также в получении пластификаторов.

Высокие требования к качеству технического нафталина жестко ограничивают содержание в нем серы и сернистых соединений (менее 1 % масс.), а также некоторых других веществ, поэтому решение проблемы выделения чистого нафталина связаны с отделением его от компонентов, близких по температуре кипения, таких как тионафтен и ксиленол.

Исходный состав нафталиновой фракции, полученной из остатков каменноугольной смолы, рассматриваемый в конкретном примере, содержит тринадцать компонентов, три из которых представляют особую сложность для разделения: нафталин (218°C), тионафтен (219°C), а также ксиленол с температурой кипения 217°C [1]. Следует отметить, что в рассматриваемом сырьевом потоке могут существовать двойные и тройные азеотропные смеси, о наличии или отсутствии которых упоминается в источниках [2, 4-9, 11], однако различная справочная литература дает по этому вопросу противоречевую информацию. Согласно источнику [1] в большинстве нафталиновых фракций имеются следующие азеотропные смеси (табл 1).

07-03-2017 11-30-26

Рис. 1 — Состав исходного сырья

 

Таблица 1 – сведения о наличии и типе бинарных азеотропных смесей (гом. отр. – гомогенный отрицательный, пол. – положительный, если известно – указана температура кипения смеси)

07-03-2017 11-31-33

Как утверждает источник [11], имеет место существование азеотропа 3,4-ксиленол-нафталин. Наличие рассматриваемого нами азеотропа тионафтен-нафталин в справочной литературе найти не удалось, однако упоминане о проблеме разделения этой смеси найдено во множестве монографий [2, 4-9]. Составы азеотропа, температуры кипения были получены путем моделирования и расчетов (рисунок 2).

07-03-2017 11-32-31

Рис. 2 – Азеотропные смеси и их составы

 

Существует ряд технологий разделения тионафтена и нафталина. Можно выделить несколько способов, описываемых в литературе.

  • Метод противоточной жидкостной экстракции с двумя несмешивающимися растворителями. При этом получается нафталин концентрацией 99,7% и фракция тионафтена с содержанием последнего 13%. Данный метод является сложным и энергоемким. Его реализация целесообразна только при условии гарантированного сбыта фракции тионафтена.
  • Химические методы очистки – хлористым алюминием, металлическим натрием, формальдегидом, а также гидрогенизационная очистка.
  • Метод очистки азеотропной ректификацией. Смесь нафталина с тионафтеном можно разделить с применением этиленгликоля в качестве азеотропообразующей добавки [4].

Интерес представляет решение проблемы разделения смеси нафталина и тионафтена  без использования разделяющего агента, т.к. его наличие удорожает процесс ректификации и увеличивает стадийность процесса разделения .

Путем моделирования данного процесса в программной среде HYSYS 7.2 с использованием модели активности NRTL с расчетом бинарных коэффициентов по методу UNIFAC были получены результаты и предложены схемы, позволяющие выделить технический нафталин, удовлетворяющий заданным требованиям, а также проведено сравнение энергетических затрат на выделение нафталина с чистотой 97% масс. и 99,0% масс.

Получение нафталина с содержанием не менее 97% масс. основного вещества возможно путем ректификации в двух вакуумных колоннах без боковых отборов с получением нафталина необходимого качества в виде кубовой жидкости колонны К-2 (см. рис. 4). На схеме под легкими понимались: вода, ксилол, индан, инден, фенол; под тяжелыми: хинолин,     1-метилнафталин, 2-метилнафталин, дифенил, флуорантен, ксиленол. Колонна К-1 предназначена для максимального извлечения легкокипящих компонентов, колонна К-2 для – выделения товарного нафталина  с максимальным выходом от потенциала 90%.

Также была рассмотрена возможность получения нафталина, удовлетворяющего заданным требованиям, путем ректификации в одной вакуумной колонне с боковым отбором и предварительной сепарацией исходного сырья. На данной схеме под легкими понимались: вода, ксилол, индан, инден, фенол, ксиленол, тионафитен; под тяжелыми: хинолин,  1-метилнафталин, 2-метилнафталин, дифенил, флуорантен.

07-03-2017 11-34-34

Рис. 3 – Технологическая схема получения товарной нафталиновой фракции по двухколонной схеме: К-1 – колонна выделения легких продуктов; К-2 – колонна выделения товарной нафталиновой фракции; С – смеситель; 1 – исходная фракция каменноугольной смолы;     2 – легкие углеводороды; 3 – нафталин, частично укрепленный; 4 – товарная нафталиновая фракция; 5 – тяжелые углеводороды; 6 – масло

07-03-2017 11-35-37

Рис. 4 – Технологическая схема получения товарной нафталиновой фракции в колонне с боковым отбором: C-1 – сепаратор; К-1 – колонна выделения товарной нафталиновой фракции; 1 – исходная фракция каменноугольной смолы; 2 – паровая фракция; 3 – жидкая фракция, 4 – легкие углеводороды; 5 – тяжелые углеводороды; 6 – товарная нафталиновая фракция

 

Такая схема позволяет выделить нафталин с концентрацией 97-99,0% масс. и выходом от потенциала 92%.

Преимущество двухколонной схемы заключается в обеспечении большей технологической гибкости в работе аппаратов по сравнению с одной сложной колонной.

В таблице 2 приведены основные результаты моделирования, позволившие определить на основе построения «кривых качества» оптимальные эффективности колонн, расположение точки бокового отбора и флегмовые числа.

Таблица 2 – основные результаты моделирования

Наименование параметра Значения параметра для вариантов
№1 (см. рис. 3) №2 (см. рис. 4)
Эффективность колонн, N, теоретические тарелки (т.т):

К-1

К-2

40

100

100

Боковой отбор, т.т., считая снизу:

К-1

85
Флегмовое число, R:

К-1

К-2

 

5

12

 

12

Выход целевой фракции от потенциала 90 90
Расход греющего пара, Гкал/т 1,76 0,22

 

Обе представленные схемы позволяют выделить нафталин с концентрацией ниже 97% масс. и выходом от потенциала не менее 90%. Учитывая меньшие затраты энергии водяного пара,  чуть больший выход от потенциала по сравнению с двухколонной схемой и возможность выделения целевого продукта с концентрацией свыше 99% масс, – более удачной из предложенных является схема с одной вакуумной колонной и боковым отбором. При достижении концентрации нафталина 99,0% масс. удельные затраты греющего пара составляют 1,19 Гкал/т, тогда как получение целевого продукта, с содержанием 97 % масс. нафталина требует удельных затрат греющего пара примерно в 4 раза больше, в размере 0,33 Гкал/т.

Выводы

  1. На основе анализа литературных данных и проведенного моделирования подтверждено существование азеотропной смеси нафталин-тионафтен, определен тип азеотропа (положительный, температура кипения 214 º) и его состав (при нормальном давлении): 52:48% масс.
  2. Путем моделирования обнаружен бинарный азеотроп 2,3- ксиленол-нафталин, определен тип азеотропа (положительный, температура кипения 209º) и его состав (при нормальном давлении): 41:59% масс. Кроме того, обнаружен тройной азеотроп нафталин-2,3-ксиленол-тионафтен (температура кипения 201º) и определен его состав (при нормальном давлении): 5:43:52% масс.
  3. Предложены две принципиальные схемы выделения товарной нафталиновой фракции с качеством получаемого конечного сырья не ниже 97%.
  4. Проведено сравнение энергетических затрат на выделение нафталина по двухколонной схеме и одноколонной схеме с дополнительным отбором, что позволило сделать вывод, что технологическая схема с одной вакуумной колонной более эффективна и имеет потенциал для выделения более качественного целевого продукта, содержанием нафталина 99 и более процентов.
  5. Проведено сравнение энергетических затрат на выделение 99% и 97% нафталина. Установлено, что затраты греющего пара на выделение 99% превышают затраты во втором случае примерно в 4 раза (1,19 Гкал/т и 0,33 Гкал/т, соответственно.

Список литературы / References

  1. Дмитриев М.Т., Казнина Н.И., Пинигина И.А. Санитарно-химический анализ загрязняющих веществ в окружающей среде; Справ. изд. – М.: Химия, 1989.
  2. Горелова О.М., Григорьева М.Ю. Исследования по созданию экологичной технологии переработки нафталиновой фракции на предприятиях коксохимии // Ползуновский вестник, №1, 2013 – 277с.
  3. Сидоров О.Ф. Современные представления о процессе термоокисления каменноугольных пеков // Кокс и химия, №9, 2002 – с. 35-43.
  4. Брон А.Я. Переработка каменноугольной смолы. – М.: Металлургия, 1963. – 184с.
  5. Лейбович Р.Е., Яковлева Е.И, Филатов А.Б. Технология коксохимического производства: учебник для техникумов – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1982.
  6. Харлампович Г.Д., Кауфман А.А. Технология коксохимического производства: учебник для вузов. – М.: Металлургия, 1995.
  7. Петлюк Ф.Б., Серафимов Л.А. Многокомпонентная ректификация. Теория и расчет. – М.: Химия, 1983.
  8. Сулимов А.Д. Производство ароматических углеводородов из нефтяного сырья. – М.: Химия, 1975.
  9. Крюков А.С., Габриелова И.С., Марховская Ж.В., Кива В.Н. Равновесие жидкость – пар в системах бензальдегида, фенолов и нафталина при давлениях ниже 13,3 кПа (100 мм рт. ст.) // Основной органический синтез и нефтехимия: сб. науч. тр. Яросл. политехн. ин-т. – Ярославль, 1986. – с.52-55.
  10. Соколов В.З., Харлампович Г.Д. Производство и использование ароматических углеводородов. – М.: Химия, 1980. – с.281
  11. Сидоров О.Ф. Механизм взаимодействия кислорода с углеводородами пека. Журнал «Кокс и химия» №9 2002г. стр. 35-43

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Dmitriev M.T., Kaznina N.I., Pinigina I.A. Sanitarno-himicheskij analiz zagrjaznjajushhih veshhestv v okruzhajushhej srede [Sanitary and chemical analysis of pollutants in the environment]; Sprav. izd. – M.: Himija, 1989. [in Russian]
  2. Gorelova O.M., Grigor’eva M.Ju. Issledovanija po sozdaniju jekologichnoj tehnologii pererabotki naftalinovoj frakcii na predprijatijah koksohimii [Studies on the creation of environmentally friendly technologies for processing of naphthalene fractions enterprises coking industry] // Polzunovskij vestnik. – 2013. – №1. – 277 p. [in Russian]
  3. Sidorov O.F. Sovremennye predstavlenija o processe termookislenija kamennougol’nyh pekov [Modern views on the process of thermal oxidation of coal pitches] // Koks i himija [Coke and chemistry]. – 2002. – №9. – P. 35-43. [in Russian]
  4. Bron A.Ja. Pererabotka kamennougol’noj smoly [Refining of coal tar]. – M.: Metallurgija, 1963. – 184 p. [in Russian]
  5. Lejbovich R.E., Jakovleva E.I, Filatov A.B. Tehnologija koksohimicheskogo proizvodstva: uchebnik dlja tehnikumov – 3-e izd., pererab. i dop. [The technology of coke production: textbook for colleges – 3 ed., rev. and ext.] – M.: Metallurgija, 1982. [in Russian]
  6. Harlampovich G.D., Kaufman A.A. Tehnologija koksohimicheskogo proizvodstva: uchebnik dlja vuzov [Coke production technology: textbook for high schools]. – M.: Metallurgija, 1995. [ in Russian].
  7. Petljuk F.B., Serafimov L.A. Mnogokomponentnaja rektifikacija. Teorija i raschet [The multicomponent rectification. Theory and calculation]. – M.: Himija, 1983. [in Russian]
  8. Sulimov A.D. Proizvodstvo aromaticheskih uglevodorodov iz neftjanogo syr’ja [Production of aromatic hydrocarbons from petroleum feedstocks]. – M.: Himija, 1975. [in Russian]
  9. Krjukov A.S., Gabrielova I.S., Marhovskaja Zh.V., Kiva V.N. Ravnovesie zhidkost’ – par v sistemah benzal’degida, fenolov i naftalina pri davlenijah nizhe 13,3 kPa (100 mm rt. st.) [The balance of the liquid — vapor systems in amagol, phenol and naphthalene at pressures below 13.3 kPa (100 mm Hg.). // The main organic synthesis and petrochemistry // Osnovnoj organicheskij sintez i neftehimija [The main organic synthesis and petrochemistry]: sb. nauch. tr. Jarosl. politehn. in-t. – Jaroslavl’ – 1986. – P. 52-55. [in Russian]
  10. Sokolov V.Z., Harlampovich G.D. Proizvodstvo i ispol’zovanie aromaticheskih uglevodorodov [Production and use of aromatic hydrocarbons]. – M.: Himija, 1980. – P. 281. [in Russian]
  11. Sidorov O.F. Mehanizm vzaimodejstvija kisloroda s uglevodorodami peka [The mechanism of interaction of oxygen with hydrocarbons pitch] // Koks i himija [Coke and chemistry]. – 2002. – №9. – P. 35-43. [in Russian]

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.